一种综合计算系统的制作方法

1.本发明涉及新的计算架构，特别提供了一种综合计算系统。


背景技术：

2.自动化控制现场需求各种各样，实时、冗余、高带宽、同步等多种个性化需求难以满足，进行针对性研制要花费大量成本。工作环境也十分恶劣，高温、高湿、粉尘、盐雾、振动、电磁干扰等都对设备的可靠性提出了严重挑战。一旦系统发生故障，将会直接导致经济损失，甚至影响人员生命安全。
3.尤其是在火箭的热强度试验中，需要设计一个巨大的温度场，模拟火箭上升中过程中温度的剧烈变化。因此，需要分布式高性能闭环控制器，它的控制周期必须小于0.1ms。传统的闭环控制由于闭环计算都是在传统计算单元完成，由于通信环节较多，以及依赖操作系统调度，传统的闭环控制周期往往无法满足该要求。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种综合计算系统，旨在满足自动化控制现场各种各样的个性化需求。
5.本发明实施例是这样实现的，一种综合计算系统，其特征在于，所述综合计算系统包括一个传统计算单元、一个或多个协计算单元、一个或多个自定义ipu总线插槽，一个或多个定制计算单元，所述传统计算单元直接连接一个或多个协计算单元，所述传统计算单元、协计算单元、定制计算单元都与ipu总线插槽相连接，传统计算单元连接一个或多个自定义ipu总线插槽，每个协计算单元连接一个或多个自定义ipu总线插槽，每个定制计算单元连接一个自定义ipu总线插槽，所述自定义ipu总线插槽包括一种或一种以上协议信号线与gpio信号线，传统计算单元与协计算单元之间直接通过传统计算单元自带的协议信号线进行通信，传统计算单元与定制计算单元通过自定义ipu总线插槽中传统计算单元自带的协议信号线进行通信，协计算单元与定制计算单元通过自定义ipu总线插槽中gpio信号线进行通信。
6.本发明通过传统计算单元、协计算单元和定制计算单元的相互配合，能够满足自动化控制现场各种各样的个性化需求。
7.附图说明
8.下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：图1为 整体框图，图2为 ipu总线插槽组成框图，
图3为协计算单元组成框图，图4为协计算单元组成框图，图5为协计算单元组成框图，图6为协计算单元组成框图，图7为协计算单元通信模块组成框图，图8为协计算单元通信模块组成框图，图9为协计算单元通信模块组成框图，图10为协计算单元接口时序模块组成框图，图11为协计算单元接口时序模块组成框图，图12为协计算单元接口时序模块组成框图，图13为协计算单元接口时序模块组成框图，图14为协计算单元并行计算模块组成框图，图15为协计算单元握手模块组成框图，图16为定制计算单元组成框图，图17为定制计算单元组成框图，图18为定制计算单元组成框图，图19为定制计算单元组成框图，图20为定制计算单元组成框图，图21为定制计算单元组成框图，图22为定制计算单元组成框图，图23为定制计算单元组成框图，图24为定制计算单元组成框图，图25为定制计算单元组成框图，图26为定制计算单元组成框图，图27为定制计算单元组成框图。
9.具体实施方式
10.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施示例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
11.自动化控制现场需求各种各样，实时、冗余、高带宽、同步等多种个性化需求难以满足，进行针对性研制要花费大量成本。工作环境也十分恶劣，高温、高湿、粉尘、盐雾、振动、电磁干扰等都对设备的可靠性提出了严重挑战。一旦系统发生故障，将会直接导致经济损失，甚至影响人员生命安全。
12.比如现有的自动化控制现场需求的技术要求更高，在架构、计算能力、接口与总线方面有以下问题：有的应用要求同步多个通道的采集过程，有的应用输入输出通道之间存在逻辑关系，而且要实时响应，
有的应用要求保证整个系统的闭环控制精度，这些通道有可能来自不同的功能板卡，而工控机的板卡间协同处理能力必须通过cpu完成，板卡的协同处理速度顶多在ms级别，难以满足要求，有的应用稳定性要求非常高，如果操作系统发生崩溃或者重启，就不能正确的控制外部通道，有可能造成设备损坏，甚至人员伤亡。
13.经过大量硬件架构师的长期精心实践与设计，我们提出了一种综合计算系统，能够有效的解决以上问题。其具体方案如下（如图1所示）：一种综合计算系统，其特征在于，所述综合计算系统包括一个传统计算单元、一个或多个协计算单元、一个或多个自定义ipu总线插槽，一个或多个定制计算单元，所述传统计算单元直接连接一个或多个协计算单元，所述传统计算单元、协计算单元、定制计算单元都与ipu总线插槽相连接，传统计算单元连接一个或多个自定义ipu总线插槽，每个协计算单元连接一个或多个自定义ipu总线插槽，每个定制计算单元连接一个自定义ipu总线插槽，所述自定义ipu总线插槽包括一种或一种以上协议信号线与gpio信号线（如图2所示），传统计算单元与协计算单元之间直接通过传统计算单元自带的协议信号线进行通信，传统计算单元与定制计算单元通过自定义ipu总线插槽中传统计算单元自带的协议信号线进行通信，协计算单元与定制计算单元通过自定义ipu总线插槽中gpio信号线进行通信。
14.由于协计算单元与定制计算单元都相对独立于传统计算单元，所以如果传统计算单元发生崩溃或者重启，由协计算单元与定制计算单元正确的控制外部通道，不会造成设备损坏，更不会造成人员伤亡。
15.尤其有的场合温度稳定性要求极高。一般工控机的散热采用风扇，时间长了风扇会积攒灰尘，散热效果会变差，甚至会失灵，电脑因cpu温度过高产生故障。尤其有的场合因为加工粉尘很多，一般工控机设计有通风孔用于散热，粉尘通过这些孔洞大量进入机箱内部，积存在风扇内部或其他关键部位，导致cpu故障，并最终导致全系统故障，酿成巨大损失。而这种时候，本发明由协计算单元与定制计算单元正确的控制外部通道，不会造成设备损坏，更不会人员伤亡。
16.有些设备在现场调试时、甚至销售后才发现有设计缺陷，一般的硬件设备只能通过召回的方式解决。而这种时候，本发明只需远程升级协计算单元与定制计算单元的相关固件，即可解决问题，这大大降低了修复问题的成本，以及缩短了升级的时间。
17.优选的，传统计算单元与协计算单元之间直接通过传统计算单元自带的pci/pcie协议信号线进行通信。由于pci/pcie 协议信号线的带宽远远大于一般常见的总线协议，使得一个传统计算单元往往可以支持多个协计算单元、定制计算单元与传统计算单元的快速通信。
18.有的应用因为数据量非常大，如果通过扩展总线传至计算机，总线带宽会不够，只有处理滞后的计算数据传输至计算机才行，工控机难以满足。由于pci/pcie协议信号线的带宽远远大于一般常见的总线协议，使得一个传统计算单元往往可以支持多个协计算单元、定制计算单元与传统计算单元的快速通信。
19.优选的，传统计算单元与定制计算单元通过自定义ipu总线插槽中传统计算单元
自带的pci/pcie或usb协议信号线进行通信。
20.一般的扩展卡，工控机的扩展必须设计成pci或者pcie接口，才能正常工作，接口设计难度大，成本高，且无法在同一 个接插件，支持一些常用的接口：如pcie\usb\gpio等。而我们自定义的ipu总线插槽支持pci/pcie或usb协议，接口设计难度低。
21.从总线的复杂上来看，pcie>usb>gpio，这就导致学习成本上pcie>usb>gpio。pcie的带宽>usb的带宽>gpio的带宽，越是高速的信号，信号走线的技巧要求就越高，出现问题调试的复杂度也越高。由于传统工控机只有pcie和usb总线，一些简单低速的应用，也必须通过高速高带宽总线进行转换，这样大大提高了设计的门槛。ipu同时提供这三种总线给用户使用，用户可能过自己能力，过往经验和成功案例自由选择任何一种熟悉的总线开始开发。
22.在传统工控机的板卡设计中，不管是开发pcie/pci或者是usb总线的板卡，均是通过协议转换模块，将这些标准总线转换成本地总线，然后再在本地总线上外挂各种接口电路。对于不同功能的板卡，协议转换模块的结构和功能都类似。通常只要带宽能够满足要求，可以采用任何一种标准总线来转换本地总线。ipu的协计算单元将标准计算机总线，转换成多个gpio，再将这些gpio分成若干个小组给不同ipu插槽作为本地总线使用，这样用户设计不同的功能板卡的时候，可以直接从gpio开始设计接口电路，即仅仅需要设计定制计算单元即可，这样大大降低了开发难度,并节省了开发时间以及生产、维护费用。
23.优选的，所述传统计算单元采用x86平台或arm平台，所述协计算单元采用fpga平台或cpld平台。
24.有的应用现场环境非常复杂，设计人员前期选型的扩展硬件到使用现场时才发现并不适用，这个时候重新选购或者重新设计都来不及。因此迫切需要能够通过可编程的硬件，而fpga平台或cpld平台可以达到这个效果。
25.所述自定义ipu总线插槽为扁触角式金手指、或针孔式eurocard接插件。
26.在采用扁触角式金手指时，在冲击或者振动的应用环境中，经常发生抖动而引起接触松动的故障，另外随着时间的推移，金手指也会发生氧化，导致接触不良而引起故障，但其结构简单，造价低廉，插板方便。
27.采用针孔式eurocard接插件时，对于具体应用经常变化或需要升级的 场景，工控机更换成本低，且在一些冲击，振动环境中不会因为接触不好而失灵。有的场合的具体应用经常变化或需要升级，而工控机针对这种情况只能更换各种金手指结构的板卡，更换成本高，且更换过程容易破坏金手指，导致接触不良等问题，且在一些冲击，振动环境中容易接触不好而失灵。
28.以上技术方案可以适用于以下一些场景。
29.应用场景1：有的应用数据处理的算法比较复杂，或者存在大量并行计算任务，无法直接由x86的cpu来承担。在一些木材加工厂，常常发生工人不小心切断手指的事故，一直以来也没有非常完美的解决方案，因为从人感觉到疼痛而做出反应至少需要100ms，这么长的时间足以酿成不可挽回的事故。
30.针对以上应用场景，具体技术方案如下：所述协计算单元由通信模块、并行计算模块、握手模块、接口时序模块组成，
并行计算模块分别与通信模块和接口时序模块相连，握手模块分别与通信模块和接口时序模块相连，其中：通信模块与传统计算单元相连，通过pci/pcie协议信号线，与传统计算单元的pci/pcie协议主控制器进行通信，并行计算模块用于并行处理或计算，通过通信模块或接口时序模块获取计算任务，并向通信模块或接口时序模块输出计算结果，握手模块用于处理接口时序模块的同步信号，接口时序模块与定制计算单元相连接，用于控制定制计算单元的外部接口。
31.而使用综合计算系统就能很容易解决该问题，综合计算系统利用采集功能的定制计算单元电锯切割的振动数据，然后通过协计算单元的并行计算单元分析振动数据，识别当前切割的是木材还是人体，如果是人体的话，马上通过握手模块，通知制动功能的定制计算单元控制电锯马上停止，整个过程均是通过硬件计算完成，拥有高可靠性、高实时性，整个过程不会超过1ms。当发生这样的事故时，手指只会有一些皮外伤，而电锯已经停止。
32.应用场景2：在分布式同步采集应用中，都是使用gps的pps信号进行同步，由于pps信号是每秒一个的脉冲信号，当其他需要同步的子系统并不是接收脉冲作为同步信号时，就需要有进行同步信号转换；当其他系统的同步周期并不是1s时，就需要对同步信号进行锁相分频；现有的数据采集系统均需要其他被同步子系统进行定制才可以实现这些功能。
33.针对以上应用场景，具体技术方案如下：所述协计算单元由通信模块、握手模块、接口时序模块组成，握手模块分别与通信模块和接口时序模块相连，其中：通信模块与传统计算单元相连，通过pci/pcie协议信号线，与传统计算单元的pci/pcie协议主控制器进行通信，握手模块用于处理接口时序模块的同步信号，接口时序模块与定制计算单元相连接，用于控制定制计算单元的外部接口。
34.有的应用要求同步多个通道的采集过程，有的应用输入输出通道之间存在逻辑关系，而且要实时响应。有的应用要求保证整个系统的闭环控制精度。这些通道有可能来自不同的功能板卡，而工控机的板卡间协同处理能力必须通过cpu完成，板卡的协同处理速度顶多在ms级别，难以满足要求。而ipu可以直接利用协计算单元的握手模式实现各定制计算单元的各种同步要求。握手模块主要为接收时序模块提供同步时钟，以及帮助不同接口时序模块之间或者开始、停止等同步信号，以及模块间的实时数据传输。 有的任务是由两个不同的定制计算接口单元 轮流工作来完成的，这样在他们之间切换任务的时候，就会通过握手来通知对方，如果通过传统计算单元来通知对方的话，需要的时间太长，从而降低效率。
35.应用场景3：在火箭的热强度试验中，需要设计一个巨大的温度场，模拟火箭上升过程中温度的剧烈变化。因此，需要分布式高性能闭环控制器，它的控制周期必须小于0.1ms。传统的闭环控制由于闭环计算都是在传统计算单元完成，由于通信环节较多，以及依赖操作系统调度，传统的闭环控制周期往往无法满足该要求。
36.针对以上应用场景，具体技术方案如下：所述协计算单元由通信模块、并行计算模块、接口时序模块组成，并行计算模块分别与通信模块和接口时序模块相连，其中：通信模块与传统计算单元相连，通过pci/pcie协议信号线，与传统计算单元的pci/pcie协议主控制器进行通信，并行计算模块用于处理并行计算任务，接口时序模块与定制计算单元相连接，用于控制定制计算单元的外部接口。
37.有的应用数据处理的算法比较复杂，或者存在大量并行计算任务，无法直接由x86的cpu来承担。在ipu的解决方案中，所有的闭环计算均通过协计算单元的并行计算模块完成，通信环节少，硬件实时计算判断，闭环控制周期轻松实现0.1ms。
38.应用场景4：在一些数据采集应用中，由于需要采集的信号比较特殊，以至于无法购买到标准的货架产品，传统的做法是定制开发一个数据采集卡，这个采集卡包含外部接口、时序控制、通信接口组成，开发这样的板卡难度大、周期长、风险高。
39.针对以上应用场景，具体技术方案如下：所述协计算单元由通信模块、接口时序模块组成，通信模块与接口时序模块直接相连，其中：通信模块与传统计算单元相连，通过pci/pcie协议信号线，与传统计算单元的pci/pcie协议主控制器进行通信，接口时序模块与定制计算单元相连接，用于控制定制计算单元的外部接口。
40.有的应用现场环境非常复杂，设计人员前期选型的扩展硬件到使用现场时才发现并不适用，这个时候重新选购或者重新设计都来不及。因此迫切需要能够通过可编程的硬件。而采用ipu系统，仅仅需要开发定制计算单元作为外部接口，时序控制和通信接口可以直接采用协计算单元的接口时序模块和通信模块实现，这样的话，整个开发过程难度大大降低、周期缩短、研发风险大大降低。
41.在传统工控机的板卡设计中，不管是开发pcie/pci或者是usb总线的板卡，均是通过协议转换模块，将这些标准总线转换成本地总线，然后再在本地总线上外挂各种接口电路。对于不同功能的板卡，协议转换模块的结构和功能都类似。通常只要带宽能够满足要求，可以采用任何一种标准总线来转换本地总线。ipu的协计算单元将标准计算机总线，转换成多个gpio，再将这些gpio分成若干个小组给不同ipu插槽作为本地总线使用，这样用户设计不同的功能板卡的时候，可以直接从gpio开始设计接口电路，即仅仅需要设计定制计算单元即可，这样大大降低了开发难度, 并节省了开发时间以及生产、维护费用。
42.应用场景5：在一些数据采集应用中，传统计算单元需要采集或者发送的数据量非常大，这样需要在系统中安装多张高速信号采集定制计算单元或者高速信号输出定制计算单元，如果采用纯粹的gpio协议信号线，所有的定制计算单元都通过并行计算单元与传统计算单元通信，而并行计算单元与传统计算单元只有一个高速数据传输通道，这样就会带宽瓶颈问题。
如果采用ipu总线的pcie/pci/usb 协议信号线进行传输，就可以为定制单元与传统计算单元增加新的数据传输通道，而且定制计算单元仍然可以使用gpio协议信号线与传统计算单元通信，或者通过gpio协议信号线与其他定制计算单元进行实时数据交换，从而进一步保证定制计算单元与传统计算单元的高带宽通道。
43.针对以上应用场景，具体技术方案如下：所述ipu总线由包含gpio、pcie、usb协议信号线，ipu总线分别与并行计算单元和定制计算单元相连，并行计算单元与传统计算单元相连，通信模块与接口时序模块直接相连，其中：通信模块与传统计算单元相连，通过pci/pcie协议信号线，与传统计算单元的pci/pcie协议主控制器进行通信，并行计算模块用于处理并行计算任务，接口时序模块与定制计算单元相连接，用于控制定制计算单元的外部接口。
44.有的应用现场中，客户已经由了基于pci/pcie/usb的传统解决方案，当他们需要移植到本综合计算系统时，如果不需要用到并行计算单元，只需要根据定制计算单元的结构尺寸重新设计pcb即可，如果需要用到并行计算单元，只需要增加该部分接口电路即可，这样大大减少了他们从现有方案移植到新的综合计算系统所需要的时间，降低了设计风险。
45.以上几种场景中，所述通信模块用于传统计算单元与协计算单元的通信，由pci/pcie总线子模块、pci/pcie总线状态机子模块、fifo子模块、本地总线状态机子模块、本地总线子模块、逻辑控制子模块、配置参数子模块各一个组成，pci/pcie总线子模块、pci/pcie总线状态机子模块、fifo子模块、本地总线状态子模块、本地总线状态机子模块依次相连，配置参数子模块与逻辑控制子模块相连，逻辑控制子模块与fifo子模块相连，pci/pcie总线子模块与传统计算单元的pcie协议主控制器相连，本地总线子模块与接口时序模块、或者并行计算模块、或者握手模块相连，其中：pci/pcie总线子模块完成pci/pcie的数据、地址、控制等接口的信息传输，pci/pcie总线状态机子模块完成pci/pcie工作状态的自动切换，fifo子模块按照先进先出模式存储管理数据，本地总线状态机子模块用于控制本地总线多种工作状态的自动切换，本地总线子模块用于实现本地总线的数据、地址、控制等信号传输。
46.逻辑控制子模块用于控制接口时序模块经过本地总线状态机子模块、fifo子模块、pci/pcie 总线状态机子模块向传统计算单元传输，并用来控制传统计算单元的数据，依次经过pci/pcie总线状态机子模块、fifo子模块、本地总线状态机子模块向接口时序模块传输，配置参数子模块根据配置的相关参数，初始化逻辑控制子模块。
47.所述接口时序模块主要用于协计算单元通过gpio信号控制定制计算单元并与其通信，由读写缓存子模块、时序逻辑子模块、读写控制子模块组成，读写控制子模块与读写缓存子模块相连，读写缓存子模块与时序逻辑子模块相连，读写控制子模块与通信模块的本地通信总线子模块相连，或者与并行计算模块的任务管理子模块相连，或者与握手模块的监控子模块相连，时序逻辑子模块与定制计算单元的控制模块相连，其中：读写控制子模块用于控制定制计算单元的数据依次经过时序逻辑子模块、读写缓存子模块向通信模块或者并行计算模块传输，以及控制通信模块数据或者并行计算数据依次经过读写缓存子模块、逻辑时序子模块向定制计算单元传输，读写缓存子模块用于匹配时序逻辑子模块与读写控制子模块之间的不同的通信速度，时序逻辑子模块用于实现时序逻辑总线的时钟、数据接口，所述时序逻辑子模块包括spi时序逻辑子模块或i2c时序逻辑子模块或并口时序逻辑子模块或uart时序逻辑子模块。
48.所述并行计算模块用于并行处理或计算，通过通信模块或接口时序模块获取计算任务，并向通信模块或接口时序模块输出计算结果，由一个任务管理子模块、一个以上任务计算子模块、一个结果收集子模块组成，每一个任务计算子模块都独立与任务管理子模块、结果收集子模块相连接，任务管理子模块与接口时序模块的读写控制子模块相连，与通信模块的本地总线通信子模块相连，其中：任务管理子模块用于将通信模块传输过来的任务，分成多个相互独立的计算子任务，并分配给不同的任务计算子模块，任务计算子模块用于计算任务管理子模块分配的计算子任务，结果收集子模块用于收集任务计算子模块的计算结果，并将结果返回给通信模块或接口时序模块。
49.所述握手模块用于定制计算单元的协同握手，不同定制计算单元可以利用握手模块实现相互同步工作，也可以利用握手模块传递控制信号实现相互协同工作，由一个监控子模块、一个时钟源子模块、一个触发总线子模块、一个自定义总线子模块组成，时钟源子模块、触发总线子模块、自定义总线子模块均与监控子模块相连，监控子模块与通信模块的本地总线通信子模块相连，与接口时序模块的读写控制子模块相连，其中：监控子模块用于管理信号的分配以及监控握手工作状态，时钟子模块提供时钟基准，触发总线子模块用于传递触发信号，自定义总线子模块用于实现不同定制计算单元之间的数据传输。
50.以上应用场景1，3，4，5中，所述定制计算单元，由信号调理模块，采样模块，以及控制模块组成，信号调理模块与采样模块相连，采样模块与控制模块相连，控制模块与接口时序模块的时序逻辑子模块相连，其中信号调理模块用于调理信号，采样模块用于采样各路模拟通道，将其转换成数字信号，控制模块用于控制采样模块的开始工作以及停止工作，并收集或者提供采样数据。以上应用场景1，3，4，5中，所述定制计算单元由信号保持模块，数模转换模块，以及控制模块组成，控制模块与模数转换模块相连、模数转换模块与信号保持模块相连，控制模块与接口时序模块的时序逻辑子模块相连，其中：其中信号保持模块用于保持各通道模拟输出，数模转换模块用于将数字信号转换成模拟信号，控制模块控制量程切换，更新速率，以及与传统计算单元/协计算单元的数据通信。
51.以上应用场景1，2，4，5中，所述定制计算单元由电平转换模块，以及控制模块组成，控制模块与电平转换模块相连，控制模块与接口时序模块的时序逻辑子模块相连，其中：其中电平转换模块用于将外部输入信号转换为内部工作信号，以及将内部工作信号转化为外部输出信号，控制模块用于控制电平切换，输入输出时序。
52.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。